Yersinia pestis ( Y. pestis ; ранее Pasteurella pestis ) — грамотрицательная , неподвижная , коккобактериальная бактерия без спор, которая связана как с Yersinia enterocolitica , так и с Yersinia pseudotuberculosis , патогеном, из которогопроизошел Y. pestis [1] [2] и ответственна за дальневосточную скарлатиноподобную лихорадку . Это факультативный анаэробный организм , который может заражать людей через восточную крысиную блоху ( Xenopsylla cheopis ). [3] Он вызывает болезнь чуму , которая вызвала чуму Юстиниана и Черную смерть , самую смертоносную пандемию в истории. Чума принимает три основные формы: легочную , септическую и бубонную . Yersinia pestis является паразитом своего хозяина, крысиной блохи , которая также является паразитом крыс, поэтому Y. pestis является гиперпаразитом .
Y. pestis был открыт в 1894 году Александром Йерсеном , швейцарско-французским врачом и бактериологом из Института Пастера , во время эпидемии чумы в Гонконге . [4] [5] Йерсен был членом школы мысли Пастера . Китасато Сибасабуро , японский бактериолог, практиковавший методологию Коха , также занимался в то время поиском возбудителя чумы. [6] Однако Йерсен на самом деле связал чуму с бациллой , первоначально названной Pasteurella pestis ; в 1944 году она была переименована в Yersinia pestis .
Ежегодно во Всемирную организацию здравоохранения по-прежнему поступает от одной тысячи до двух тысяч случаев чумы . [7] При надлежащем лечении антибиотиками прогноз для жертв намного лучше, чем до разработки антибиотиков. Пяти-шестикратное увеличение случаев произошло в Азии во время войны во Вьетнаме , возможно, из-за нарушения экосистем и более тесного сближения людей и животных. В настоящее время чума широко распространена в странах Африки к югу от Сахары и на Мадагаскаре, районах, на которые в настоящее время приходится более 95% зарегистрированных случаев. Чума также оказывает пагубное воздействие на млекопитающих, не являющихся человеком; [8] в Соединенных Штатах к ним относятся чернохвостая луговая собачка и находящийся под угрозой исчезновения черноногий хорек .
Y. pestis — неподвижная коккобацилла , факультативная анаэробная бактерия с биполярным окрашиванием (придающим ей вид английской булавки ), которая производит антифагоцитарный слой слизи. [9] Подобно другим видам Yersinia , она дает отрицательные результаты на уреазу , ферментацию лактозы и индол . [10] Вид лучше всего растет при температуре 28–30 °C и при pH 7,2–7,6 (он все еще растет медленно), но может жить в большом диапазоне температур и pH. [11] Она очень быстро погибает при воздействии УФ-излучения, высыхании или при температуре выше 40 °C. [12] В роде Yersinia насчитывается 11 видов , и три из них вызывают заболевания человека. Два других — Yersinia pseudotuberculosis и Yersinia enterocolitica , инфекции, вызванные любым из них, обычно возникают при употреблении зараженной пищи или воды. [13]
Несколько полных последовательностей генома доступны для различных штаммов и подвидов Y. pestis : штамм KIM (биовара Y. p. medievalis ), [14] и штамм CO92 (биовара Y. p. orientalis , полученный из клинического изолята в США). [15] В 2006 году была завершена последовательность генома штамма биовара Antiqua . [16] Некоторые штаммы непатогенны, например, штамм 91001 , последовательность которого была опубликована в 2004 году. [17]
Подобно Y. pseudotuberculosis и Y. enterocolitica , Y. pestis является хозяином плазмиды pCD1. Он также является хозяином двух других плазмид, pPCP1 (также называемой pPla или pPst) и pMT1 (также называемой pFra), которые не переносятся другими видами Yersinia . pFra кодирует фосфолипазу D , которая важна для способности Y. pestis передаваться блохами. [18] pPla кодирует протеазу Pla, которая активирует плазмин у людей-хозяев и является очень важным фактором вирулентности при легочной чуме. [19] Вместе эти плазмиды и остров патогенности , называемый HPI, кодируют несколько белков, которые вызывают патогенез, которым славится Y. pestis . Среди прочего, эти факторы вирулентности необходимы для бактериальной адгезии и инъекции белков в клетку-хозяина, вторжения бактерий в клетку-хозяина (через систему секреции типа III ), а также получения и связывания железа, собранного из эритроцитов (сидерофорами ) . Считается, что Y. pestis произошел от Y. pseudotuberculosis , исследования ДНК показали, что эти два вида схожи на 83%, что достаточно высоко, чтобы считать их одним и тем же видом. В 1981 году было предложено переклассифицировать Y. pestis в подвид Y. pseudotuberculosis , но Судебная комиссия Международного комитета по систематической бактериологии отказалась сделать это, поскольку течение болезни Y. pestis настолько отличается от течения болезни Y. pseudotuberculosis , которая обычно вызывает легкую диарею, что переклассификация породила бы путаницу. [20]
В 2006 году был проведен всесторонний и сравнительный протеомный анализ штамма Y. pestis KIM. [21] Анализ был сосредоточен на росте в четырех различных наборах условий, которые были разработаны для моделирования хозяев-блох и млекопитающих. [21]
Было идентифицировано множество бактериальных малых некодирующих РНК, которые выполняют регуляторные функции. Некоторые из них могут регулировать гены вирулентности. Около 63 новых предполагаемых sRNA были идентифицированы с помощью глубокого секвенирования sRNA-ome Y. pestis . Среди них была Yersinia -специфическая (также присутствующая в Y. pseudotuberculosis и Y. enterocolitica ) Ysr141 ( Yersinia small RNA 141). Было показано, что sRNA Ysr141 регулирует синтез эффекторного белка системы секреции III типа (T3SS) YopJ. [22] T3SS Yop-Ysc является критическим компонентом вирулентности для видов Yersinia . [23] Многие новые sRNA были идентифицированы из Y. pestis, выращенных in vitro , и в инфицированных легких мышей, что позволяет предположить, что они играют роль в бактериальной физиологии или патогенезе. Среди них sR035, как предполагается, образует пару с областью SD и сайтом инициации транскрипции термочувствительного регулятора ymoA, а sR084, как предполагается, образует пару с мехом, регулятором поглощения железа . [24]
В городских и лесных циклах Y. pestis большая часть распространения происходит между грызунами и блохами. В лесном цикле грызунами являются дикие животные, но в городском цикле грызунами в основном являются серые крысы ( Rattus norvegicus ). Кроме того, Y. pestis может распространяться из городской среды и обратно. Передача человеку обычно происходит через укусы инфицированных блох. Если болезнь прогрессировала до легочной формы, люди могут распространять бактерию другим воздушно-капельным путем; другие, которые заражаются чумой таким образом, в основном сами заражаются легочной формой. [25]
Несколько видов грызунов служат основным резервуаром Y. pestis в окружающей среде. В степях естественным резервуаром, как полагают, являются в основном сурки . На западе Соединенных Штатов несколько видов грызунов, как полагают, поддерживают Y. pestis . Однако ожидаемая динамика заболевания не была обнаружена ни у одного грызуна. Известно, что несколько видов грызунов имеют изменчивую устойчивость, что может привести к бессимптомному статусу носителя . [26] Данные указывают на то, что блохи от других млекопитающих играют роль во вспышках чумы у людей. [27]
Отсутствие знаний о динамике чумы у млекопитающих также актуально для восприимчивых грызунов, таких как чернохвостая луговая собачка ( Cynomys ludovicianus ), у которой чума может вызвать крах колонии, что приводит к огромному воздействию на пищевые цепи прерий. [28] Однако динамика передачи среди луговых собачек не следует динамике заблокированных блох; вместо этого могут быть важны туши, незаблокированные блохи или другой вектор. [29]
Штамм CO92 был выделен от пациента, умершего от пневмонии и заразившегося от инфицированной кошки. [15]
В других регионах мира резервуар инфекции четко не определен, что усложняет программы профилактики и раннего оповещения. Один из таких примеров был зафиксирован во время вспышки в Алжире в 2003 году . [30]
Передача Y. pestis блохами хорошо охарактеризована. [31] Первоначальное приобретение Y. pestis переносчиком происходит во время кормления инфицированным животным. Затем несколько белков способствуют поддержанию бактерий в пищеварительном тракте блохи, среди них система хранения гемина и мышиный токсин Yersinia (Ymt). Хотя Ymt очень токсичен для грызунов и когда-то считалось, что он вырабатывается для обеспечения повторного заражения новых хозяев, он необходим для колонизации блох и для выживания Y. pestis в блохах. [18] [15]
Система хранения гемина играет важную роль в передаче Y. pestis обратно млекопитающему хозяину. [32] В то время как в переносчике насекомых белки, кодируемые генетическими локусами системы хранения гемина, вызывают образование биопленки в железистом желудке , клапане, соединяющем среднюю кишку с пищеводом . [33] [34] Наличие этой биопленки, по-видимому, необходимо для стабильного заражения блохи. [35] Агрегация в биопленке препятствует питанию, поскольку образуется масса свернувшейся крови и бактерий (называемая «блоком Бакота» в честь энтомолога А. В. Бакота , первого, кто описал это явление). [36] Передача Y. pestis происходит во время тщетных попыток блохи питаться. Проглоченная кровь закачивается в пищевод, где она вытесняет бактерии, застрявшие в железистом желудке, которые отрыгиваются обратно в кровеносную систему хозяина. [36]
Патогенез, вызванный заражением млекопитающих Y. pestis, обусловлен несколькими факторами, включая способность этих бактерий подавлять и избегать нормальных реакций иммунной системы, таких как фагоцитоз и выработка антител . Укусы блох позволяют бактериям преодолевать кожный барьер. Y. pestis экспрессирует активатор плазмина , который является важным фактором вирулентности для легочной чумы и который может разрушаться на сгустках крови, способствуя систематическому вторжению. [19] Многие из факторов вирулентности бактерий являются антифагоцитарными по своей природе. Два важных антифагоцитарных антигена , называемые F1 (фракция 1) и V или LcrV , оба важны для вирулентности . [9] Эти антигены вырабатываются бактерией при нормальной температуре человеческого тела. Кроме того, Y. pestis выживает и вырабатывает антигены F1 и V, находясь внутри белых кровяных клеток, таких как моноциты , но не в нейтрофилах . Естественный или индуцированный иммунитет достигается путем выработки специфических опсонических антител против антигенов F1 и V; антитела против F1 и V вызывают фагоцитоз нейтрофилами. [37]
Кроме того, система секреции типа III (T3SS) позволяет Y. pestis вводить белки в макрофаги и другие иммунные клетки. Эти вводимые T3SS белки, называемые внешними белками Yersinia (Yops), включают Yop B/D, которые образуют поры в мембране клетки-хозяина и связаны с цитолизом . YopO, YopH , YopM, YopT, YopJ и YopE вводятся в цитоплазму клеток-хозяев с помощью T3SS в поры, частично созданные YopB и YopD. [38] Введенные Yops ограничивают фагоцитоз и сигнальные пути клеток, важные для врожденной иммунной системы , как обсуждается ниже. Кроме того, некоторые штаммы Y. pestis способны вмешиваться в иммунную сигнализацию (например, предотвращая высвобождение некоторых цитокинов ). [39]
Y. pestis размножается внутри лимфатических узлов , где он способен избегать разрушения клетками иммунной системы, такими как макрофаги . Способность Y. pestis ингибировать фагоцитоз позволяет ему расти в лимфатических узлах и вызывать лимфаденопатию . YopH — это белок тирозинфосфатаза , который способствует способности Y. pestis уклоняться от клеток иммунной системы. [40] Было показано, что в макрофагах YopH дефосфорилирует p130Cas , Fyb ( белок, связывающий FYN ) SKAP-HOM и Pyk , тирозинкиназу, гомологичную FAK . YopH также связывает субъединицу p85 фосфоинозитид-3-киназы , Gab1 , адаптерные белки Gab2 и фактор обмена гуаниновых нуклеотидов Vav . [ необходима цитата ]
YopE функционирует как активирующий ГТФазу белок для членов семейства ГТФаз Rho, таких как RAC1 . YopT — это цистеиновая протеаза , которая ингибирует RhoA , удаляя изопренильную группу , что важно для локализации белка в клеточной мембране . Было предложено, что YopE и YopT функционируют для ограничения цитолиза, вызванного YopB/D. [41] Это может ограничить функцию YopB/D по созданию пор, используемых для вставки Yop в клетки-хозяева, и предотвратить вызванный YopB/D разрыв клеток-хозяев и высвобождение содержимого клеток, которое могло бы привлечь и стимулировать реакции иммунной системы. [ требуется ссылка ]
YopJ — это ацетилтрансфераза , которая связывается с консервативной α-спиралью киназ MAPK . [42] YopJ ацетилирует киназы MAPK по серинам и треонинам , которые обычно фосфорилируются во время активации каскада киназ MAP . [43] [44] YopJ активируется в эукариотических клетках путем взаимодействия с фитиновой кислотой клетки-мишени (IP6). [45] Это нарушение активности протеинкиназы клетки-хозяина вызывает апоптоз макрофагов, и это, как предполагается, важно для установления инфекции и уклонения от иммунного ответа хозяина. YopO — это протеинкиназа, также известная как протеинкиназа Yersinia A (YpkA). YopO является мощным индуктором апоптоза макрофагов человека. [46]
Также было высказано предположение, что бактериофаг – Ypφ – мог быть ответственен за повышение вирулентности этого организма. [47]
В зависимости от того, какая форма чумы поражает человека, развивается разное заболевание; однако в целом чума влияет на способность клетки-хозяина взаимодействовать с иммунной системой, препятствуя доставке организмом фагоцитарных клеток в зону заражения.
Y. pestis — универсальный убийца. Известно, что помимо грызунов и людей он убивал верблюдов, кур и свиней. [48] Домашние собаки и кошки также восприимчивы к чуме, но кошки с большей вероятностью заболевают при заражении. В обоих случаях симптомы похожи на те, что испытывают люди, и могут быть смертельными для животного. Люди могут заразиться, вступая в контакт с инфицированным животным (живым или мертвым) или вдыхая инфекционные капли, которые больная собака или кошка выкашливает в воздух. [49] [50]
Вакцина , инактивированная формалином , была доступна в Соединенных Штатах для взрослых в 1993 году [51] с высоким риском заражения чумой до ее изъятия с рынка Управлением по контролю за продуктами и лекарствами . Она имела ограниченную эффективность и могла вызывать сильное воспаление . Эксперименты с генной инженерией вакцины на основе антигенов F1 и V ведутся и показывают многообещающие результаты. Однако бактерии, лишенные антигена F1, по-прежнему вирулентны, а антигены V достаточно изменчивы, так что вакцины, состоящие из этих антигенов, могут быть не полностью защитными. [52] Медицинский научно-исследовательский институт инфекционных заболеваний армии США обнаружил, что экспериментальная вакцина на основе антигена F1/V защищает макак, питающихся крабами , но не защищает африканские зеленые мартышки . [53] Систематический обзор, проведенный Cochrane Collaboration, не обнаружил исследований достаточного качества, чтобы сделать какое-либо заявление об эффективности вакцины. [54]
В 1894 году два бактериолога, Александр Йерсен из Швейцарии и Китасато Сибасабуро из Японии, независимо друг от друга выделили в Гонконге бактерию, ответственную за гонконгскую чуму 1894 года . Хотя оба исследователя сообщили о своих результатах, ряд запутанных и противоречивых заявлений Китасато в конечном итоге привели к признанию Йерсена в качестве основного первооткрывателя этого организма. Йерсен назвал его Pasteurella pestis в честь Института Пастера , где он работал. В 1967 году он был перемещен в новый род и переименован в Yersinia pestis в его честь. Йерсен также отметил, что крысы болели чумой не только во время эпидемий чумы, но и часто предшествующих таким эпидемиям у людей, и что чума считалась многими местными жителями болезнью крыс; жители деревень в Китае и Индии утверждали, что, когда находили большое количество мертвых крыс, вскоре следовали вспышки чумы. [ необходима цитата ]
В 1898 году французский ученый Поль-Луи Симон (который также приехал в Китай, чтобы бороться с Третьей пандемией) обнаружил переносчика болезни — крысу-блоху . Он отметил, что заболевшим людям не обязательно находиться в тесном контакте друг с другом, чтобы заразиться. В Юньнани , Китай, жители бежали из своих домов, как только видели мертвых крыс, а на острове Формоза ( Тайвань ) жители считали, что обращение с мертвыми крысами повышает риск развития чумы. Эти наблюдения привели его к подозрению, что блоха может быть промежуточным фактором в передаче чумы, поскольку люди заражались чумой только в том случае, если контактировали с крысами, которые умерли менее 24 часов назад. В теперь уже классическом эксперименте Симон продемонстрировал, как здоровая крыса умерла от чумы после того, как зараженные блохи перепрыгнули на нее с крысы, которая недавно умерла от чумы. [55] Вспышка распространилась на Чайнатаун, Сан-Франциско, с 1900 по 1904 год, а затем на Окленд и Восточный залив с 1907 по 1909 год. [56] С тех пор она присутствует у грызунов западной части Северной Америки, поскольку страх перед последствиями вспышки для торговли заставил власти скрывать мертвых жителей Чайнатауна достаточно долго, чтобы болезнь передалась широко распространенным видам местных грызунов в отдаленных районах. [57]
Выделяют три основных штамма: Y. p. antiqua , вызвавший пандемию чумы в шестом веке; Y. p. medievalis , вызвавший Черную смерть и последующие эпидемии во время второй волны пандемии; и Y. p. orientalis , ответственный за текущие вспышки чумы. [58]
15 января 2018 года исследователи из Университета Осло и Университета Феррары предположили, что люди и их паразиты (вероятнее всего, в то время это были блохи и вши) были основными переносчиками чумы. [59] [60]
В 2010 году исследователи в Германии окончательно установили, используя данные ПЦР из образцов, полученных от жертв Черной смерти, что Y. pestis был причиной средневековой Черной смерти . [61]
В 2011 году был опубликован первый геном Y. pestis, выделенный от жертв Черной смерти, и сделан вывод о том, что этот средневековый штамм является предком большинства современных форм Y. pestis . [62]
В 2015 году Cell опубликовала результаты исследования древних захоронений. [63] Плазмиды Y. pestis были обнаружены в археологических образцах зубов семи людей бронзового века, в культуре Афанасьево в Сибири, культуре шнуровой керамики в Эстонии, синташтинской культуре в России, унетицкой культуре в Польше и андроновской культуре в Сибири. [64] В 2018 году было опубликовано появление и распространение патогена во время упадка неолита (еще 6000 лет назад). [65] Место в Швеции было источником доказательств ДНК, и торговые сети были предложены в качестве вероятного пути распространения, а не миграции популяций. Есть данные, которые предполагают, что Y. pestis мог возникнуть в Европе в культуре Кукутень-Триполье , а не в Азии, как принято считать. [65]
ДНК-доказательства, опубликованные в 2015 году, указывают на то, что Y. pestis заражал людей 5000 лет назад в бронзовом веке Евразии, [63] но генетические изменения, которые сделали его высоковирулентным, произошли только около 4000 лет назад. [66] Высоковирулентная версия, способная передаваться блохами через грызунов, людей и других млекопитающих, была обнаружена у двух людей, связанных с культурой срубной культуры из Самарской области в России, возрастом около 3800 лет, и у человека железного века из Капана , Армения, возрастом около 2900 лет. [66] [63] Это указывает на то, что по крайней мере две линии Y. pestis циркулировали во время бронзового века в Евразии. [66] Бактерия Y. pestis имеет относительно большое количество нефункционирующих генов и три «неуклюжих» плазмиды, что предполагает ее происхождение менее 20 000 лет назад. [48] Один из таких штаммов был идентифицирован примерно 4000 лет назад («линия LNBA» (линия позднего неолита и бронзового века)) в западной Британии, что указывает на то, что эта высококонтагиозная форма распространилась из Евразии до дальних северо-западных окраин Европы. [67]
В 2016 году бактерия Y. pestis была идентифицирована из ДНК в зубах, найденных на строительной площадке Crossrail в Лондоне . Было обнаружено, что человеческие останки принадлежали жертвам Великой лондонской чумы , которая длилась с 1665 по 1666 год. [68]
В 2021 году исследователи обнаружили 5000-летнюю жертву Y. pestis , старейшую в мире известную, среди останков охотников-собирателей в современной приграничной зоне Латвии и Эстонии. [69]
Между 5300 и 4900 годами до н. э. численность неолитических земледельцев в Северной Европе резко сократилась. Не было установлено, было ли это результатом сельскохозяйственного спада или заражения Y. pestis внутри популяции. Исследование неолитических захоронений в Дании и Западной Швеции, проведенное в 2024 году, пришло к выводу, что чума была достаточно широко распространена, чтобы стать причиной сокращения, и что в Северной Европе было три вспышки в период между 5200 и 4900 годами назад, причем последняя вспышка была вызвана штаммом Yersinia pestis с перетасованными генами. [70] [71]
В период с 1970 по 2020 год в США было зарегистрировано 496 случаев. Случаи были обнаружены преимущественно в Нью-Мексико, Аризоне, Колорадо, Калифорнии, Орегоне и Неваде. [72]
В 2008 году чума была широко распространена в странах Африки к югу от Сахары и на Мадагаскаре, на долю которых пришлось более 95% зарегистрированных случаев. [8]
В сентябре 2009 года смерть Малкольма Касадабана , профессора молекулярной генетики в Чикагском университете , была связана с его работой над ослабленным лабораторным штаммом Y. pestis . [73] Была выдвинута гипотеза, что гемохроматоз был предрасполагающим фактором смерти Касадабана от этого ослабленного штамма, используемого для исследований. [74]
3 ноября 2019 года в больнице в районе Чаоян в Пекине были диагностированы два случая легочной чумы , что вызвало опасения вспышки. Пациентом был мужчина средних лет с лихорадкой, который жаловался на затрудненное дыхание в течение примерно десяти дней, а также его жена с похожими симптомами. [75] Полиция изолировала отделение неотложной помощи в больнице, а китайские новостные агрегаторы были взяты под контроль. [75] 18 ноября был зарегистрирован третий случай у 55-летнего мужчины из Лиги Силингол , одного из двенадцати монгольских автономных районов в Северном Китае. Пациент получил лечение, а 28 бессимптомных контактов были помещены на карантин. [76]
В июле 2020 года должностные лица усилили меры предосторожности после того, как в Баяннуре , городе в автономном районе Внутренняя Монголия Китая , был подтвержден случай бубонной чумы . Пациент был помещен на карантин и пролечен. По данным китайской газеты Global Times , также был расследован второй предполагаемый случай, и был объявлен уровень тревоги 3, действующий до конца года. Он запрещал охоту и употребление в пищу животных, которые могут переносить чуму, и призывал общественность сообщать о предполагаемых случаях. [77]